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无线图传原理,无线图像传输模块

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无线图传原理,无线图像传输模块

发布日期:2020-07-08 作者: 点击:

浅谈无线图传的COFDM技术


一、OFDM和COFDM

20个世纪中期,人们提出了频带混叠的多载波通信方案,选择相互之间正交的载波频率作子载波,也就是我们所说的OFDM这种“正交”表示的是载波频率间精确的数学关系。按照这种设想,OFDM既能充分利用信道带宽,也可以避免使用高速均衡和抗突发噪声差错。OFDM是一种特殊的多载波通信方案,单个用户的信息流被串/并变换为多个低速率码流,每个码流都用一个子载波发送。OFDM不用带通滤波器来分隔子载波,而是通过快速傅立叶变换(FFT)来选用那些即便混叠也能够保持正交的波形。OFDM技术属于多载波调制(Multi-Carrier Modulation,MCM)技术有些文献上将OFDM和MCM混用,实际上不够严密。MCM与OFDM常用于无线信道,它们的区别在于:OFDM技术特指将信道划分成正交的子信道,频道利用率高;而MCM,可以是更多种信道划分方法。  

OFDM技术是HPA联盟(HomePlug Powerline Alliance)工业规范的基础,它采用一种不连续的多音调技术,将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号,从而完成信号传送。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力,因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。OFDM技术的推出其实是为了提高载波的频谱利用率,或者是为了改进对多载波的调制,它的特点是各子载波相互正交,使扩频调制后的频谱可以相互重叠,从而减小了子载波间的相互干扰。OFDM每个载波所使用的调制方法可以不同。各个载波能够根据信道状况的不同选择不同的调制方式,比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等等,以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则。OFDM技术使用了自适应调制,根据信道条件的好坏来选择不同的调制方式。OFDM还采用了功率控制和自适应调制相协调工作方式。信道好的时候,发射功率不变,可以增强调制方式(如64QAM),或者在低调制方式(如QPSK)时降低发射功率。

COFDM(coded orthogonal frequency division multiplexing),即编码正交频分复用的简称,是目前世界最先进和最具发展潜力的调制技术。COFDM是ETSI欧洲电信标准协会关于DVB-T数字视频地面广播及DAB数字音频广播的标准。 早期是用于军事无线电传输安全性之目的。近年来,基于COFDM技术的廉价的数字信号处理芯片已成为众多公司发展产品之首选。COFDM的实用价值就在于支持突破视距限制的应用,是一种在无线电频谱资源方面充分利用的技术, 可以对噪声和干扰有着很好的免疫力。其基本原理就是将高速数据流通过串并转换,分配到传输速率较低的若干子信道中进行传输。编码(C)是指信道编码采用编码率可变的卷积编码方式,以适应不同重要性数据的保护要求;正交频分(OFD)指使用大量的载波(副载波),它们有相等的频率间隔,都是一个基本震荡频率的整数倍;复用(M)指多路数据源相互交织地分布在上述大量载波上,形成一个频道。

1、单载波系统    

在FDM传统的频分复用和TDM时分复用系统中,一个单一的无线电频率可以采用振幅、频率、相位调制或采用复合调制方式以传送数据流。为防止对临近信道产生的干扰需要拿出一段频谱空间作为保护频段 ,但增加保护频段会减少整个系统的吞吐量。射频系统的设计必须考虑到最小的信号噪声比,以保证接收信号在背景噪声下所需要的性能。在强的干扰环境下(在同频本地多发信机工作的情况下)或在强的衰落环境下(在暴雨期间或金属物内),信号通常是不能被良好的接收的。更为重要的是在同频工作下会有多径干扰产生的影响,它会使信号在建筑物之间、人群、移动的车辆、飞机或其它的方面产生多种反射而使信号传输中断,那么如何使接收机能够正确地接收这些信号? 假设这些多径射频信号的特性可以迅速地从一个瞬间到另一个瞬间进行变化,在设计上采用复杂的算法以及昂贵的电路技术能够处理这些问题,使得在上述环境下信号也能够得以良好的接收。  

2、多载波系统 – COFDM

COFDM技术不使用单载波系统而是多载波系统在同样的调制方式下,比如采用 QPSK、16QAM 或 64QAM,可以使之应用于单载波系统。但无论如何,数据的传输仍然是采用时分和频分方式 ,并工作在各自的子载波上,每个子载波都在特定的正交频率上,以增加潜在的数据吞吐量。尽管这时每个子载波的数据率低于单载波系统,但各个子载波的总的数据率要高于整个系统的数据率。   

DVB-T 标准已被广泛应用于欧洲和世界各国, 其中 “2K” 版本 (1704 载波信号) 应用于较强的干扰环境, “8K” 版本 (6816 载波信号) 应用于较低些的干扰环境。DAB 标准 应用于CD品质的音频和数据在移动环境下的规划和设计。其中有4个不同的工作方式, 在整个1.5MHz的信道上具有高达 1536 个载波的间隔, 其目的是为了提高对多普勒相移和多径干扰的免疫力。COFDM技术是关于前向纠错方法和数据信号处理过程的。它对干扰具有强的抵抗力。包括抗多径干扰。这些信号相对原始信号因传播距离而被延迟,相对于最大的期望延迟,保护间隔的配置就更长。这样就可以保证接收机从反射信号中区别有用的信号以正确地接收。值得注意的是,实际上多径信号会给COFDM系统中带来好处,如果原始信号被封锁,仅有多径信号被接收的话,这些信号会被用于接收机去获得想得到的数据。此外,即使个别的子载波不能完全地被接收, 数据纠错方式也能够使接收机从其它的子载波中获得足够的信息去重建缺少的数据。  

3、移动性和双向数据     

COFDM技术是移动环境下应用的最佳选择。例如:UBS系统的COFDM 调制器在新加坡已被广泛应用于公交车的电视信号的传送,这项技术也被用于拉斯维加斯战时流动医院的实时移动视频图象的单向传送,以诊断病人。同时该项技术也能被应用于双向广播无线接入业务。包括数据、互联网接入、话音和传真等。  

4、结论

COFDM 技术标准为增强频谱资源的利用率提供了一种有效的解决途径,特别是在强的干扰环境下。它可应用于单向或双向的固定或移动的数据网络环境。以前采用固定无线接入方式访问互联网的用户都知道一个道理:如果他们屋顶上的天线不在几公里/几十公里外的基站天线视线范围内的话,他们就接收不到信号。 但是现在WXKD新一代的固定无线双向系统可以突破这一限制,包括树丛、饰墙、甚至是金属片都不能阻挡它与基站天线的通信。这对于使用固定无线接入技术向用户提供高速互联网接入服务的人们来说无疑是一件好事。另外,这种新系统的安装也更加方便,用户可以自行安装天线,而不是象以前那样需要工程技术人员来调整它的角度以对准远端的天线。

OFDM主要应用在LTE(4G)、WIFI等应用系统上。COFDM目前应用最广泛的是在DVB(数字视频广播),有DVB-T,DVB-S,DVB-C等等,在欧洲,东南亚,南美,澳洲都有广泛应用。


二、无线图传COFDM技术的优点

无线图传COFDM技术,主要有如下几个优点:

(1)  适合高速数据传输,速率一般大于4Mbps,满足高质量视音频的传输。高质量的视音频除对摄像机的要求外,对编码流、信道速率要求十分高。一般的数字微波,扩频微波传输中,固然采用MPEG2编码,但信道多采用2M速率,如E1,使得解码后的图像分辨率一般为352×288,无法满足后期分析、存储、编辑等要求。COFDM技术每个子载波可以选择QPSK、16QAM、64QAM等高速调 制,合成后的信道速率一般均大于4Mbps。因此,可以传输MPEG2中4:2:0、4:2:2等高质量编解码,接收端图像分辨率可达到576×720或480×720,满足后期分析、存储、编辑等要求。

(2)在窄带带宽下也能够发出大量的数据COFDM技术能同时分开至少1000个数字信号,而且在干扰的信号周围可以安全运行的能力,将直接威胁到目前市场上已经开始流行的CDMA技术的进一步发展壮大的态势,正是由于具有了这种特殊的信号“穿透能力”使得COFDM技术深受欧洲通信营运商以及手机生产商的喜爱和欢迎,例如加利福尼亚Cisco系统公司、纽约Flarion工学院以及朗讯工学院等开始使用,在加拿大Wi-LAN工学院也开始使用这项技术。

(3) COFDM技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化由于通信路径传送数据的能力会随时间发生变化,所以COFDM能动态地与之相适应,并且接通和切断相应的载波以保证持续地进行成功的通信;

(4)  该技术可以自动地检测到传输介质下,哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲,然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信;

(5) COFDM技术特别适合使用在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及将信号散播的地区。传统的微波设备,必需在通视前提(既收发两点之间必需无阻挡)下才能建立链路,所以使用中受环境制约,需要提前考察环境,拟定、实测收发点。即使成功“布点”,天线定向、线缆布置等工作也相称啰嗦,不仅直接限制视音频源的获取、传输,而且系统的可靠性、工作效率也大打折扣。COFDM无线图像设备则彻底改变了这种局面。因其多载波等技术特点,COFDM设备具备“非视距”、“绕射”传输的上风,在城区、山地、建筑物内外等不能通视及有阻挡的环境中,该设备能够以高概率实现图像的不乱传输,不受环境影响或受环境影响小。其收发两端一般采用全向天线,无须预先“踩点”、“定向”、布设繁杂的视音频输入、输出电缆,视音频源的采集端、接收端可根据现场情况及指挥/导演的要求自由流动,系统简朴、可靠,应用灵活。

(6) 可以有效地对抗信号波形间的干扰,适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时,只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响,其他的子载波未受损害,因此系统总的误码率性能要好得多。

(7)  通过各个子载波的联合编码,具有很强的抗衰落能力。COFDM技术本身已经利用了信道的频率分集,如果衰落不是特别严重,就没有必要再加时域均衡器。通过将各个信道联合编码,则可以使系统性能得到提高。

(8) 在复杂电磁环境中,COFDM具备优异的抗干扰机能。对抗频率选择性衰落或窄带干扰及信号波形间的干扰机能优胜,通过各个子载波的联合编码,具有很强的抗衰落能力。在单载波系统中(如数字微波,扩频微波等),单个衰落或干扰能够导致整个通讯链路失败,但是在多载波COFDM系统中,仅仅有很小一部分子载波会受到干扰,并且这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错,确保传输的低误码率。 

(9) 可以选用基于IFFT/FFT的OFDM实现方法;

(10) 信道利用率很高:这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要;当子载波个数很大时,系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。

(10)适合高速移动中传输,可应用于车辆、船舶、直升机/无人机等平台。对于大多数行业而言,无线图像的一般应用模式是:视音频前端采集—接入点(车、船、机)--视音频处理中心(一般通过有线链路或卫通)。所以车辆、船舶、直升机/无人机等平台是系统非常重要的组成部分,其核心的功能之一就是实时接入前端的图像。微波(数字微波、扩频微波)、无线LAN等设备因其技术体制的原因,无法独立实现收、发端的移动中传输。如应用到车辆、船舶上,通常的方案是再配置附加的“伺服稳定”装置,以解决电磁波定向、跟踪、稳定等问题,且仅能在一定条件下实现移动点对固定点的传输。这样,其系统的技术环节多,工程复杂,可靠性降低,造价极高。但对于COFDM设备,它不需要任何附加装置,就可实现固定—移动,移动—移动间的使用,非常适合安装到车辆、船舶、直升机/无人机等移动平台上。不仅传输有高可靠性,而且对比以上的方案,由于无须再配置附加的“伺服稳定”装置,所以表现出很高的性价比。


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